反应堆关键电动阀门电机低电压穿越技术研究

张斯其

(中国核动力研究设计院，成都614106)

0 引言

反应堆关键阀门负责向反应堆内注水、余热排出，保证整个反应堆的安全运行。这些阀门的动作性能直接关系到整个反应堆系统的安全可靠性。而电动阀门中，最为关键的部件便是阀门电机，阀门电机需要完成在阀门的整个行程中对阀门起始端和终止端的精确控制，同时为了保证整个反应堆的安全性，必须能够保证任何工况和负载情况下均能够在规定时间内完成整个开阀或关阀动作。

传统阀门电机采用全压直接起动并运行的方式，其在理想工况下能够满足设计中对于开、关阀速度的要求。但反应堆供电系统是一个特殊的系统，尤其是与安全相关的关键阀门往往需要在应急状态下进行动作，在这种状态下，整个反应堆供电系统处在孤岛运行状况下。此时电网很容易出现短时间内的供电电压波动，这种供电电压波动，尤其是电压的突然下降，会使得阀门电机运行速度出现大幅度跌落，使得阀门开、关阀动作时间延长，影响反应堆的安全性。

针对传统阀门电机控制系统在电网波动情况下存在的无法有效执行开、关阀动作的问题，本文提出了一种新型反应堆关键阀门电机低电压穿越技术，在阀门电机控制中采用电压反馈补偿弱磁控制策略，即在传统控制的弱磁曲线上，叠加相应的电压补偿量。在阀门电机运行过程中，对电机磁链继续动态补偿，当电网电压出现短时间跌落，母线电压值不足以维持当前转速的情况下，动态判断进入弱磁状态，通过励磁电流给定值动态计算以及电压补偿器的比较值来确定弱磁程度，以消除电压跌落对于阀门电机转速的影响。同时，与传统的阀门电机运行方式进行了对比，在实验中取得了良好的效果。

1 阀门电机弱磁控制原理

由于电网电压大小的限制，以及电机驱动器中主要驱动器件电压电流的限制，使得阀门电机在运行过程中转速总存在一个限值，无法继续提高。而当电网电压下降时，这一转速限值也随之下降，这就是阀门电机转速性能迅速下降的直接原因。同时，阀门电机中磁路饱和、温升和绝缘等问题也限制了电机转速的提高。在电压下降的情况下，为了保证阀门电机转速稳定在一定范围内，不发生大幅度跌落，就需要在满足电压与电流约束条件的前提下，对阀门电机进行弱磁控制。

电机运行区间一般按照转速来进行划分，以基速ωb作为分界点。当电机运行速度低于ωb时，电机处于正常运行状态下，这时电机能够保持恒定转矩输出，此时电机磁链保持额定磁链不变，故这一区间为恒转矩运行区间;当电机运行速度高于ωb时，电机运行受到电压极限与电流极限的限制，若要进一步提高转速则需要减小电机的额定磁链，削弱电机的负载特性以换取转速特性，在这一区间内运行时，电机的功率保持恒定。电压运行区间如图1中所示。其中，ωb为运行基速角频率，ωr为电机当前运行角频率，ω1为电机运行速度受到电流极限圆约束下的最高角频率，高于ω1运行角频率的电机将只受到电压极限圆的限制，ωe为电机同步角频率，Te为电机电磁转矩，Lm定转子互感，Ls为定子电感，Lr为转子电感，p为电机极对数。

图1 电压约束圆，电流约束圆和恒转矩曲线

在运行过程中，电机转子磁链的时间常数一般很长，变化很慢，所以可以根据转子d轴电流来对转子磁链给定值进行计算，如下:

根据感应电机电压与电流方程，可得电压约束椭圆方程，如下:

从图1中和式(3)可以看出，电压约束椭圆的大小随着运行速度的增加而减小，如图1中的椭圆与圆交叉的区域就是电机额定点的运行区域。转矩在电流平面上可表示为反比例曲线，如下:

2 阀门电机低电压穿越技术原理研究

本文阀门电机控制中采用电压反馈补偿弱磁控制的策略，即在传统控制的弱磁曲线上，叠加相应的电压补偿量。在阀门电机运行过程中，对电机磁链继续动态补偿，以实现阀门电机的低电压穿越，在规定时间内完成开、关阀动作，本文所采用的电压闭环反馈表达式，如下:

式中:ψr为当前磁链给定值，ψrb为初始状态给定的额定磁链值。

从式(5)中可以看出，阀门电机在正常运行过程中，电机运行速度并没有达到电压极限圆，输出电压值与电压极限圆差值为正值，调节器没有补偿作用，磁链给定值仍然保持在额定值，能够有效利用阀门电机的负载驱动能力。

当母线电压突然出现跌落时，阀门电机的基速ωb迅速下降，使得当前电压值已经无法维持阀门电机当前转速的运行，阀门电机运行进入弱磁区，此时电压补偿调节器将电机维持当前转速所需要的电压计算值与实际测量得到的电压圆约束幅值进行比较，得到弱磁补偿量，并与传统弱磁曲线进行叠加合成。由于电压跌落的影响，计算得到的电压赋值总是会大于电压极限圆，故输出补偿量永远为负值，进一步减小给定磁链的值。通过这一补偿量将一部分电机d轴电压量分配给q轴进行控制，从而能够使得阀门电机转速稳定在额定转速附近，不会出现大幅度的转速波动。电压反馈补偿弱磁控制框图如图2所示。

图2 电压反馈磁链补偿控制框图

由于补偿控制器位于反馈回路，为了避免在补偿过程中出现代数环，所以补偿器采用积分环节。积分环节中最重要的就是积分比例系数ki，下面对比例系数公式进行推导。

由于uqsuds，所以在求解过程中对磁链补偿控制器进行化简，在此假设us≈uqs，将图2的弱磁补偿控制器框图化简为如图3所示。

图3 磁链补偿控制器

由于磁链等于电压的积分，令Δψ=G(p)(umax－其中，G(s)=k/s，在此设磁链补偿值为Δψc，可得稳态时磁链ψ=Δψc+ψref，则:得到控制器的时间常数

时间常数的大小在很大程度上影响着系统的性能，时间常数越小代表着系统的动态性能越好，但是越小的时间常数代表着越大的积分常数，积分常数的增大在给系统带来更高的稳定性的同时，也会使得整个控制系统开始振荡，甚至最终使系统无法收敛。所以在系统设计中，选择时间常数与磁链时间常数相等，故得到补偿器积分系数如下:

式中:Tf为磁链时间常数

3 阀门电机低电压穿越技术仿真研究

根据前文原理推导，可得到阀门电机低电压穿越控制系统框图，如图4所示。

图4 阀门电机低电压穿越控制系统框图

建立阀门电机低电压穿越控制器仿真模型。使用的感应电机参数如表1所示。

表1 阀门电机仿真参数

图5为从感应电机起动到出现电压跌落，进入弱磁控制区这一时段内电机三相电流的变化情况。

图5 起动到低电压跌落点三相电流变化

从图5中可以看出，起动和升速过程中电流较大，当出现电压跌落的情况时，能够快速进入弱磁控制区，稳定转速。在进入弱磁控制之前存在一定的波形畸变，但在电压跌落过程稳定后恢复正常。

仿真过程中，在500 ms时刻，突然加入15%的母线电压跌落，并继续保持500 ms，如图6所示。同时为了使得仿真过程与阀门紧急关阀过程接近，并满足负载适应性的要求，在电压开始跌落的瞬间同时施加一个40 N·m的关阀负载转矩。从图6(a)中可以看出，传统控制方式在出现电压跌落时，电机输出转矩无法跟随负载转矩变化，转矩减小是导致电机转速迅速下降的最直接原因。而图6(b)中，采用电压反馈补偿的弱磁算法来实现阀门电机低电压穿越，由于弱磁区域控制的存在，使得输出转矩能够有效跟随给定值，能够保证整个关阀过程中阀门电机转速的稳定。

图6 额定转速下紧急关阀过程中母线电压跌落时转矩变化

仿真结果表明，本文的阀门电机低电压穿越技术能够有效克服紧急开关阀过程中母线电压跌落的问题。

4 阀门电机低电压穿越控制器设计

本文的阀门电机低电压穿越控制器硬件电路及其拓扑结构如图7所示，主要结构包括主控电路，功率驱动模块与电机保护模块。同时为了实现电机闭环控制功能，增加位置检测电路与信号采集电路。

图7 硬件电路总体设计

主功率电路采用三相全桥式的结构，同时带有关断续流保护结构，防止大电流冲击。

5 实验结果

阀门电机低电压穿越控制器实验平台中阀门电机的主要参数如表2所示。

在实验中，对阀门电机驱动实验平台的输入电压进行手动调节，用来模拟阀门电机开、关阀动作过程中出现的母线电压跌落，母线电压跌落值为60 V，约为母线总电压的15%。实际电压跌落时间控制存在一定偏差，跌落时间的控制无法像仿真一样做到非常精确，电压跌落时间约为300 ms。同时，在模拟的阀门电机动作过程中施加20 N·m的负载转矩，来模拟阀门电机动作中的负载情况。电压跌落转速变化对比，如图8所示。

表2 阀门电机参数

图8 电压跌落时转速变化

从图8(a)中可以看出，当母线电压出现跌落的时刻，转速也由于电机输入电压的下降而无法维持，也出现了一定程度的跌落，从2 900 r/min下降至2 500 r/min左右，直到母线电压恢复到正常值时，才能有效跟随给定值，在低电压时间内阀门电机转速均大幅低于额定转速。

如图8(b)所示，采用低电压穿越技术控制算法后，在电压出现跌落的时刻，转速没有发生大幅度的跌落，稳定在一定范围内，转速值从3 000 r/min跌至2 800 r/min左右，阀门电机基本能够维持额定转速运行，这说明本文的阀门电机低电压穿越技术能够消除电压跌落对阀门电机转速造成的影响。

6 结语

针对反应堆关键阀门电机的工作特点，本文研究了一套完整的阀门电机低电压穿越技术，通过电压反馈补偿控制器，在电压出现跌落时，对阀门电机进行电压补偿弱磁控制，实现阀门电机低电压穿越，在整个低电压时段内，转速跌落较小，使得阀门在低电压情况下能够在规定时间内完成开、关阀动作，保证反应堆安全运行。实验结果与理论分析相吻合，进一步证明本文的低电压穿越控制策略的有效性。